高速飞行器编队通信保持控制与协同制导技术研究综述

在高速武器平台网络化的背景下,对于高速滑翔飞行器(以下简称“高速飞行器”)的研究不再局限于多约束下的制导方法,而是亟须破解多飞行器协同制导控制技术难题。通过总结部分军事大国研制高速飞行器的发展历程,分析了目前多飞行器协同作战的发展现状与趋势,进而引出研究多飞行器协同制导控制技术的必要性。随后分别对编队通信保持控制技术、带飞行时间约束的协同制导控制技术以及带飞行角度约束的协同制导控制技术的研究现状进行了梳理,为多高速飞行器协同作战探索解决思路,最后对多飞行器协同制导控制技术的未来发展方向进行了展望。

雨课堂在“飞行器制导与控制技术”课程中的应用

“飞行器制导与控制技术”是航空宇航科学与技术专业的专业核心课程之一,课程知识覆盖面广、理论性强且抽象难懂,因而如何提升教学效果一直备受关注。分析“飞行器制导与控制技术”课程教学现状,探索了雨课堂在“飞行器制导与控制技术”课程中的应用,结合雨课堂贯穿课前—课上—课后的功能,同时通过科研成果、航天活动、航天装备等进课堂进行线上线下混合式教学,激发学生学习“飞行器制导与控制技术”课程的热情,培养学生解决实际工程问题的能力。

柔翼结构飞行器智能控制系统关键技术与途径

柔翼结构飞行器具有轻质、空间集成、重复使用、有较大的阻力面积和升力系数等优点,可实现巡航飞行、低速驻空、再入返回、气动减速、定点归航、着陆缓冲等功能,是当前的研究热点。智能控制系统是柔翼结构飞行器飞航与回收着陆系统的核心技术之一,结合智能技术在控制系统中的应用研究与工程实践,对柔翼结构飞行器智能控制系统及其技术特征进行了分析;介绍了刚-柔组合体一体化控制与仿真、环境感知与健康状态在线评估、航迹规划与跟踪飞行控制、集群飞行控制、着陆与缓冲智能控制、智能硬件容错与重构等关键技术。对柔翼结构飞行器智能控制系统的未来发展进行了思考,提出了飞行环境的智能及柔性感知、气动参数的在线识别、多任务模式自主执行及控制系统的演进学习等发展建议,通过对智能控制技术持续不断地研究与实践,为柔翼结构飞行器系统的研制提供强有力的支撑。

面向可打击区域的高超声速飞行器制导控制一体化方法研究

针对高超声速飞行器制导和控制系统分离设计方法的不足,提出通过制导控制一体化设计提升其可打击区域的方法。首先,在建立高超声速制导控制一体化模型的基础上,揭示了其通过控制弹体坐标系与地面坐标系的牵连加速度来跟踪制导指令的工作原理。其次,通过典型弹道的数值仿真,对比分析了制导控制一体化设计相较于分离设计的控制信号差异。最后,通过确定制导控制分离设计及一体化设计的高超声速飞行器可打击区域的方式,从大样本仿真角度体现制导控制一体化的优势。结果表明,制导控制一体化设计可以放宽对可用过载的需求且有助于提升高超声飞行器的可打击区域。

地外天体软着陆自主导航与控制技术研究进展

软着陆探测是重要的地外天体探测方式,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)是地外天体软着陆成功的关键。首先梳理了国内外月球、火星和小天体等地外天体软着陆任务发展现状;在此基础上,总结了地外天体软着陆任务典型GNC方案及自主导航与控制技术主要进展;最后,针对未来的地外天体精确定点软着陆任务,提出了需要重点关注和发展的自主导航与控制关键技术,为未来技术发展提供借鉴和参考。

大气制动的制导、导航与控制方案综述

大气制动借助行星大气阻力实现减速变轨,节约燃料的同时也存在诸多风险。面向金星和火星探测对大气制动技术的需求,综述了大气制动任务的基本流程和共性特征。同时,总结了相关的制导、导航与控制(GNC)方案和技术要点,并介绍了自主大气制动软件的研制情况。调研和分析内容将为金星和火星探测的总体方案设计以及GNC系统研制提供参考。

高速飞行器俯冲段制导控制一体化综述

本文从模型构建和方法设计两个方面对高速飞行器俯冲段制导控制一体化问题进行综述。首先,对俯冲段制导控制一体化模型构建进行总结,依据系统集成度提升程度的不同,分别对分通道制导控制一体化模型、全状态耦合高阶一体化模型,以及集成度提升低阶一体化模型构建进行了介绍,并对飞行器系统和设计模型特性进行了分析,指出了面临的主要设计问题。其次,针对俯冲段制导控制一体化设计难点,从快时变强不确定性鲁棒控制、高阶非匹配不确定性控制,以及考虑多约束控制方面对设计方法进行综述,总结并评述了国内外相关理论的发展现状和不足。最后,对俯冲段制导控制一体化的发展趋势进行了展望。

基于控制障碍函数的飞行器避障与制导控制

为实现动态障碍物环境下飞行器对目标的打击以提高其工程适用性,建立飞行器与障碍物以及飞行器与目标的运动学模型。在控制障碍函数的基础上进行拓展,结合速度障碍法对飞行器速度施加约束,与现有的比例制导律构建二次优化问题,得到闭式解形式的避障制导律。数值仿真并分析轨迹和过载曲线的特性。研究结果表明:所提出的避障制导律可以实时地避开运动障碍物并打击目标,有较好的全局特性;与已有避障制导律相比,过载曲线更加平缓且饱和过载占比小。

高超音速飞行器及其制导控制技术综述

高超音速飞行器军事上的强突防、强侦察能力,民用上的高效部署、星际旅行能力,使其成为各国构建战略威胁、争夺太空资源的重要途径之一,针对这一热点前沿问题,综述了高超音速飞行器的发展及其制导控制技术.首先,对高超音速飞行器的研制历史及现状进行总结,梳理发展脉络揭示其发展规律,并对高超音速飞行器轨道、近空间及大气层内飞行任务进行分析.然后,重点讨论再入返回的飞行约束条件及制导方法,包括:离线轨迹制导、在线轨迹制导以及预测制导,并针对复杂环境下强约束、任务突变等制导难点,展望高精度多约束轨迹制导、快速轨迹规划制导、鲁棒自适应轨迹重构制导等技术;进而,综述了目前高超音速强非线性、不确定性、时变性、结构挠性、控制约束及故障等控制难题及其解决方法,并对系统模型/扰动/故障深层次机理分析、多控制问题兼顾及多控制器切换、智能自主高超音速飞行等控制技术提出了展望.最后,指出了高超音速飞行器的发展需兼顾高超音速打击武器及可重复使用空天往返运载技术,制导控制系统的研制需向极广空域下的智能自主高超音速制导与控制一体化迈进.

通信速率约束下一体化角度协同制导控制方法

针对多飞行器协同拦截过程中的角度协同问题,设计了一种基于量化编码器的分布式一体化协同制导控制律。首先建立多飞行器协同制导与控制数学模型,并基于扩张状态观测器理论,对单个飞行器各状态进行观测。在此基础上考虑各飞行器间单次传输数据的字长、两次传输数据间隔的通信速率约束,采用量化器-编码器-解码器实现限制通信速率情况下的协同一体化制导控制设计。之后,通过严格的理论分析证明了满足强连通图有向通信网络下,多飞行器系统能够达成一致性且收敛到期望的相对视线角,并给出了满足收敛条件的参数选择范围。最后,通过数学仿真校验,验证了所提出的方法在较低的通信速率下能够完成协同。

小型空天飞行器制导导航与控制系统方案

针对地面垂直发射、可长时间在轨运行和轨道机动、再入稠密大气层并水平着陆在机场跑道上的小型空天飞行器,研究其制导导航与控制系统方案。分析其在轨运行、离轨、再入、末端能量管理、自主进场着陆、地面滑跑等各阶段的制导、导航与控制系统任务需求,根据任务需求提出相应的制导导航与控制系统组成方案,并阐述制导导航与控制系统的工作原理。理论分析结果表明,提出的制导导航与控制系统方案满足飞行器各阶段的任务需求,合理可行。

基于导航函数和MPC的飞行器编队分布式避碰控制

针对无人飞行器编队协同过程中的避碰控制问题,设计了一种基于两极导航函数与模型预测控制(MPC)相结合的飞行器编队分布式避碰控制方法。首先,利用邻居集中其他飞行器的位置信息及其目标位置,建立每架飞行器的导航函数和控制律;然后,基于MPC设计了分布式高层编队控制律,给出分布式预测控制算法;最后,以5架无人飞行器在末端攻击阶段飞向各自分配的目标点为例,对飞行器编队避碰控制方法进行了仿真。仿真结果表明,基于导航函数和MPC的飞行器编队协同避碰控制方法是有效的。

飞行器制导控制关键技术之课程拓展

随着飞行器制导与控制理论与应用的发展和成熟,进行飞行器制导控制关键技术的课程拓展成为航空宇航类专业的必要任务。以激光半主动导引头为例,提出了实验室内半实物仿真、运用火箭撬仿真平台的室外半实物仿真及结合激光制导抗干扰技术的半实物仿真等课程模式拓展的建议。通过分析可知,采用不同的方法对飞行器制导控制关键技术的认知及应用具有深远的意义。

巡飞弹航迹规划与飞行控制方法发展

巡飞弹是无人机技术与弹药技术结合的产物,可实现战场态势感知、精确打击、信息支援等功能,是未来信息化作战的重要武器之一。介绍巡飞弹的定义组成、分类方法、作战功能、型号发展、战场应用等情况;阐述巡飞弹航迹规划方法的发展现状和未来趋势,包括传统规划方法、智能规划算法和集群规划算法等;对巡飞弹飞行控制的关键技术,包括制导、姿控和导航技术的发展现状和未来趋势进行了介绍,其中的制导技术包括巡飞段跟踪制导、俯冲段末制导和多弹协同制导等;展望了巡飞弹未来的发展方向。

时间约束三维超螺旋滑模制导控制一体化方法

针对飞行器时间约束制导问题,提出了一种新型三维制导控制一体化方法。为满足大前置角及大期望到达时间下时间约束制导的需要,提出了一种新型滑模面,并证明了滑模运动时前置角的渐近收敛特性。在该滑模面的基础上,基于超螺旋算法和反步法,提出了有限时间稳定的制导控制一体化控制律,保证李普希茨有界扰动下的鲁棒,且控制量连续,其有限时间收敛特性通过李雅普诺夫稳定性理论得到证明,其有效性通过数值仿真得到了验证。

空天飞行器制导控制技术研究进展与展望

本文在简要介绍空天飞行器制导控制技术发展情况基础上,针对其典型的任务形态给制导控制技术带来的挑战,分别从动力学建模、轨迹优化与制导、飞行控制与导航等四个方面阐述了制导控制技术中面临的关键技术,并探讨了空天飞行器制导控制技术后续发展方向与思路。

发电厂巡检机器人导航控制算法研究

针对目前发电厂巡检机器人导航控制技术中定位不准确、灵活性差等问题,提出一种基于KEA128单片机的巡检机器人导航控制算法。利用多传感器融合采集信号,建立合理的反馈控制数学模型,分别设计平衡控制、速度控制、方向控制3个方面的反馈控制系统,根据Nyquist判据计算出稳定的反馈控制系统。最后,基于MATLAB/Simulink对该控制系统的PID控制算法进行仿真分析和参数整定,结果验证了算法的有效性。该导航控制算法可为电厂巡检机器人的安全稳定运行提供理论依据,具有实际的应用价值。

高超声速飞行器轨迹凸优化与跟踪制导方法

为了提升高超声速飞行器无动力下滑段在制导探测信息不完整或探测设备被干扰情况下的突防生存性能,建立了下滑段高超声速飞行器的动力学模型。采用序列凸优化方法对弹道进行优化,在满足终端约束的前提下具有更优的控制能量消耗,同时保证了末端加速度收敛以及良好的计算性能。轨迹跟踪部分采用线性LQR控制器设计,稳定跟踪规划弹道。相比与传统最优控制的角度约束的制导律,下滑段采用轨迹规划-轨迹跟踪的方法,无需线视线角度信息,可在下滑段结束后再引入目标相对角度信息,在复杂电磁情况下具有更强的生存能力。

导航与控制系统方案设计——以小型空天飞行器制导为例

现代科技的迅猛发展,军事体系逐渐走向科技化、智能化。此次研究基于小型空天飞行器制导作为研究主体,设计一种符合制导特性的导航与控制系统方案。首先明确方案设计的基本任务需求,对飞行剖面以及各阶段性能要点进行详细阐述;其次,导航与控制系统的构成要素进行协调分析,分析各个模块的构成要素为方案设计提供基础保障;最后,明确基本原理并制定系统设计方案。研究结果表明,导航与控制系统方案设计具备自主性、高可靠性以及高精度等要求。

《空间控制技术与应用》征稿简则

《空间控制技术与应用》(原名《控制工程》)由中国空间技术研究院北京控制工程研究所主办,国内外公开发行(刊号:ISSN1674-1579//CN11-5664/V),主要报道空间控制领域先进水平的科研成果,刊登创新性学术见解的研究论文,其内容涵盖空间飞行器、空间活动、空间试验的控制技术,先进的控制理论和方法及其研究成果在空间飞行器、空间活动、空间试验中的应用,上述控制系统的关键部件的研究、试验与应用,系统与部件的仿真技术、信息处理和可靠性技术的研究与应用,以及上述控制技术在其他工程领域中的推广和应用.